V dalším dílu seriálu o čerpadlech se budeme zabývat asi v absolutním měřítku nevyužívanějším principem, tzv. odstředivými čerpadly (Centrifugal Pump), někdy též označované jako hydrodynamické pumpy. Tedy konkrétně radiálními odstředivými čerpadly, která jsou v případě menších čerpadel obvyklá. To, že přišla na řadu po tzv. lopatkových čerpadlech, není náhoda. I toto provedení využívá rotor v podobě oběžného kola s lopatkami, ale zde jsou obvykle zakřivené a i jejich fyzikální princip je odlišný. Proto jsem je zařadil zvlášť.

Odstředivá čerpadla, i když v různých úpravách, najdete prakticky všude tam, kde se ve velkém množství čerpá voda. Prakticky konstrukce většiny vodních, ponorných a kalových čerpadel je založena na tomto principu. Je to z důvodu jednoduché konstrukce, která zároveň zajišťuje nenáročnou údržbu, dlouhou životnost a hlavně nízké výrobní náklady, které ve výsledku znamenají nízkou pořizovací cenu. Proto odstředivá čerpadla najdeme u bazénů, nádrží, studní a prostě všude tam, kde je nutné rychle a trvale přečerpávat velké množství čisté i znečištěné vody či jí podobné kapaliny bez zastavení. Jsou tedy ideální pro průběžnou dopravu a filtraci vody např. v bazénech, vodovodech, čističkách, myčkách, kanalizacích, hasících systémech apod. Pojmem znečištěná voda se zde míní zakalená či bahnitá voda, kde pevné části v kapalině obsažené mají spíše jen malé rozměry do cca 1 cm (mimo speciálního provedení Vortex, které dovoluje přepravovat bez újmy i větší kusy až 4 cm).

V průmyslu se využívá opět pro kontinuální dopravu či čerpání velkých objemů různých kapalin s nízkou a střední viskozitou, včetně zkapalněných plynů (např. LPG). Naopak tento typ se vůbec nehodí pro provoz typu Stop-and-Go, tedy pravidelné časté zastavování a spouštění vyžadované například při rychlém opakovaném dávkování malých množství a objemů, protože jejich rozjezd je pomalejší a sací schopnosti jsou obvykle slabší (výjimku tvoří speciální samonasávací provedení). Navíc pokud odstředivé čerpadlo není vybaveno zpětnou (jednosměrnou) záklopkou, čerpaný produkt může z principu své funkce při zastavení čerpadla samospádem odtékat zpět ven sacím otvorem. Také obvykle není tento typ vhodný pro pastovité či pevné sypké materiály. Dále narozdíl od dříve uvedených zubových či Lobe pump neumožňují definovat přesné množství dopravovaného objemu na otáčku, protože průtok se mění nejen s rychlostí otáčení, ale i s protitlakem, který proti směru proudění generuje potrubí za čerpadlem. Některá odstředivá čerpadla dokonce mohou trvale běžet (otáčet se) i v režimu, kdy výstupní potrubí je zcela uzavřeno a tedy kapalina neproudí.

Běžná odstředivá čerpadla mají z principu své funkce jen slabý sací efekt a proto je nutné je provozovat již zavodněné, včetně sacího potrubí (tj. již plně zaplavené vodou, včetně celého přívodního potrubí). Existují však i tzv. samonasávací provedení jejichž výhoda spočívá zejména ve skutečnosti, že pokud dojde k netěsnosti sacího potrubí, samonasávací čerpadlo je schopno si vodu nasát samo. Proto se netěsnost v potrubí projeví pouze únikem vzduchu z rozvodu vody, ale činnost samonasávacího čerpadla (např. vodárny) zůstane zachována. Také proto není třeba při prvním uvedení do provozu zalévat celé sací potrubí, ale stačí zavodnit pouze čerpadlo (většinou pomocí jeho zalévacího otvoru). V případě jeho použití jako čerpadla ze studně či nádrže, lze jím na základě fyzikálních zákonů čerpat vodu pouze do hodnoty sací výšky maximálně 8 m (včetně ztrát v ležaté části sacího potrubí). Na druhou stranu tato provedení nesmí být provozována tzv. naprázdno, protože spuštění bez vody (bez zavodnění, zcela nasucho) způsobí prakticky okamžitě rozsáhlé poškození (zničení ucpávky, deformaci oběžných kol, rozvaděčů, sacího víka atd.).

Princip a konstrukce čerpadla

Jak název tohoto typu napovídá, princip funkce je založen na využití odstředivé síly působící na látku (kapalinu) vznikající při jejím rotujícím pohybu. Prakticky téměř dokonale lze funkci čerpadla ukázat na atletické disciplíně hod kladivem. Zde soutěžící vrhač rychlým rotačním otáčením uděluje kladivu (kouli na ocelovém lanku) výraznou odstředivou sílu, která se po jeho puštění změní v kinetickou energii, která způsobí let kladiva mnoho desítek metrů.

U odstředivého čerpadla je to podobné. Vrhač je zde v podobě poháněcí hřídele, která je pevně spojena s oběžným kolem (rotorem) se zahnutými lopatkami. Ty se „paprskovitě“ rozbíhají od středu oběžného kola ven a kapalině, která na ně přitéká od středu oběžného kola sacím otvorem, udělují rotační pohyb. Tedy podobně jako kladivář uděluje rotační pohyb kladivu. Vzniklá odstředivá síla působící na kapalinu jí pak vymrští z výtlakového (výstupního) otvoru ven, podobně, jako když kladivář uvolní sevření a kladivo vyletí do vzduchu. Zbrzděním vystupující kapaliny se pak transformuje její kinetická energie na tlak. A to je vše. Principem své funkce je tak odstředivé čerpadlo obdobou Francisovy turbiny, ale kapalina jím protéká v opačném smyslu. Na nejmenším funkčním průměru oběžného kola je nasávána, na největším průměru vytlačována. Kinetická energie kapaliny, získaná přeměnou mechanické práce přivedené čerpadlu, se mění na energii tlakovou ve spirálovité skříni.

Z tohoto popisu i přiložených obrázků je jasně patrné, že narozdíl od všech doposud popisovaných provedení, tento typ nevyužívá přenosu látky v utěsněném prostoru vzniklém mezi rotorem a pastorkem či pouzdrem čerpadla. Čerpaný produkt se zde „nevystrkává“ tlačnou silou samotné lopatky, která látku tlačí před sebou, ale jen čistě silou vznikající rotováním. To má za následek, že odstředivé čerpadlo samo o sobě nevytváří konstantní tlak, ale generuje pouze průtok a výstupní výtlak je úměrný protitlaku následujícího potrubí.

Neběžící odstředivá čerpadla jsou navíc volně průchozí nejen od sacího otvoru k výtlačnému, ale i obráceně. Tedy zatímco stojící lopatkové čerpadlo (uvedené v minulém dílu) prostě neumožňuje jakýkoliv pohyb látky, protože stojící lopatky plně přehrazují prostor mezi sacím a vztlakovým otvorem, u odstředivého čerpadla žádné přehrazení není. Tedy v praxi ano, protože se zde z tohoto důvodu obvykle na sací otvor instaluje zpětná klapka, která umožňuje proudění pouze směrem dovnitř čerpadla. Pokud by tomu tak nebylo, kapalina by mohla při stojícím čerpadle samospádem vytékat sacím otvorem zpět ven.

Z konstrukčního pohledu se odstředivá čerpadla navrhují pro malé výstupní tlaky jako jednostupňová, pro větší výstupní tlaky pak jako vícestupňová s několika oběžnými koly umístěnými za sebou na společné hřídeli. Je to prakticky sériové zapojení zesilovacích stupňů, kdy každé další oběžné kolo přidá kapalině svojí "dávku" energie.

Z pohledu směru přívodu (přítoku) vzhledem k ose hřídele existují provedení radiální nebo axiální, případně kombinovaná. Běžná malá čerpadla poháněná elektromotorem však jsou obvykle pouze v radiální provedení, kde sací otvor je v ose hřídele s motorem a výtlačný otvor je pak na obvodu oběžného kola čerpadla kolmo na hřídel.

Podle konkrétní konstrukce oběžného kola a skříně se odstředivá čerpadla dále dělí na uzavřená, otevřená či Vortex provedení podle toho, zda stěny pouzdra nebo samotného oběžného kola těsně obepínají či uzavírají boční prostor lopatek a kapalina může vystupovat jen po obvodu (uzavřená verze) a nebo je zde místo pro průchod kapaliny i v jiných místech (otevřená verze). Zatímco otevřené provedení je méně náchylné k ucpání (zablokování), na druhou stranu je náročnější na správné provedení / vyrobení a nastavení, aby při provozu nedocházelo k příliš velkým ztrátám a nebo dokonce nedošlo jen k cyklické cirkulaci kapaliny uvnitř těla čerpadla. Provedení Vortex je pak speciální polootevřená verze, která obvykle dovoluje čerpat produkty i s většími pevnými kousky. Využívá toho, že vytékající kapalina urychlená oběžným kolem s sebou strhává i okolní kapalinu, která tak je též unášena ven z čerpadla, i když se vůbec nedostala do styku s rotorem. Může se tak transportovat i kapalina s většími pevnými kousky, avšak mohou zde být při styku s rotorem "rozmělněny", narozdíl např. od Lobe pumpy.

Závěrem...

Odstředivá čerpadla se prakticky vyrábějí v nepřeberném množství různých konfigurací a úprav. Prostě každý významnější výrobce se snaží v tomto směru provést nějaké vylepšení základní struktury a principu, aby se odlišil od konkurence. Proto zde více než u jiných typů čerpadel naleznete širokou plejádu provedení s různými parametry a různými doporučeními provozu.

Poznámka 1:
Nakonec si neodpustím odkaz na jednou vynikající uměleckou počítačovou grafiku řezu odstředivého čerpadla - http://mech7.deviantart.com/art/Centrifugal-Pump-Reloaded

Poznámka 2: Za týden na stránkách serveru automatizace.HW.cz budeme pokračovat některým dalším typem čerpadel.

DOWNLOAD & Odkazy

• Zajímavé odkazy na webové stránky o popisu či výrobcích / prodejcích odstředivých čerpadel:
  • www.flowservice.cz/produkty/salvatore-robuschi-odstrediva-cerpadla
  • www.tapflopump.cz/cz/cz
  • www.ivarcs.cz/cz/domaci-samonasavaci-cerpadla-jet
  • www.cerpadlo.cz/slovnik-pojmu.php
  • www.e-cerpadla.cz/samonasavaci-cerpadla-odstrediva-c-29.html
  • www.sultrade.cz/cerpadla
  • www.ebara.cz/produkty/67_SERIE-3-3L-80.xhtml
  • www.lkpumpservice.cz/index.php
  • www.eamos.cz/amos/kat_fyz/modules/low/kurz_text.php
  • www.liverani.cz/cz/ostatni-cerpadla
  • www.pumpworld.com/contents.htm
  • www.kiwipumps.com/kiwicms/blogs/6/centrifugal-pumps-basics.html
  • www.fao.org/docrep
  • ditwww.epfl.ch/SIC/SA/publications/SCR97/scr9-page24.html
  • http://caltechbook.library.caltech.edu/22/1/chap4.htm

• Další zajímavé články z oblasti průmyslové automatizace najdete na stránkách serveru automatizace.HW.cz.